DISEÑO Y FUNCIONMIENTO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO ENPLANTAs DE PROC

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLS DE HIDALGO

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

DISEO Y FUNCIONAMIENTO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO EN PLANTAS

DE PROCESO

TESIS

PROFECIONAL QUE PARA OBTENER EL TTULO DE

INGENIERO MECNICO

PRESENTA

JOSE GUADALUPE MALDONADO RANGEL

ASESOR

FRANCISCO DAZ CARBAJAL

MORELIA, MICHOACAN SEPTIEMBRE 2006

U.M.S.N.H FAC. DE ING. MECANICA.

JOSE GUADALUPE MALDONADO R. TORRES DE ENFRIAMIENTO

NDICE

JUSTIFICACION ....................................................................................................1

RESUMEN ..............................................................................................................2

GLOSARIO .............................................................................................................3

INTRODUCCION ...................................................................................................6

CAPITULO 1 EL SISTEMA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO

1.1 Especificaciones del agua de Enfriamiento .. 11

1.2 Tratamiento del agua de enfriamiento .. 14

1.3 El objeto y forma de usar el cido sulfrico . 17

1.4 Inhibidores de corrosin ... 19

1.5 Acondicionador de lodos .. 21

1.6 Cloracin .. 22

1.7 Adicin peridica de un microbicida . 25

1.8 Indice de saturacin o ndice de Langelier .. 26

1.9 Interpretacin del ndice de saturacin 28

1.10 Perdidas en los sistemas de enfriamiento ... 32

CAPITULO 11 FUNDAMENTOS DEL ENFRIAMIENTO POR EVAPORACION

2.1 Calor sensible .... 38

2.2 La humedad relativa .. 39

2.3 Calculo de la humedad del aire . 39

2.4 La rapidez de la transferencia de calor .. 41

2.5 Tipos bsicos de sistemas de enfriamiento 41



CAPITULO III DISEO DE TORRES DE ENFRIAMIENTO DE ACUERDO AL FLUJO DE AIRE.

3.1 Torres atmosfricas empacadas o con relleno de madera 48 3.2 Torres hiperblicas .... 50 3.3 Torres de enfriamiento con tiro mecnico 55 3.4 Torres de enfriamiento con empaque de cermica .. 68 3.5 Torres de tiro inducido 69 3.6 Nuevos diseos colocan las columnas fuera de la torre . 70 3.7 Carga de agua 70 3.8 Torre de tiro inducido con brazos distribuidores rotatorios . 71 3.9 Torre de enfriamiento rotatoria . 71 3.10 Condensadores evaporativos ... 72 3.11 El enfriador en seco ..... 73 3.12 La torre de enfriamiento seca .. 75

CAPITULO IV TIPOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO EN CUANTO A SU FORMA Y MATERIAL DE CONSTRUCCION.

4.1 Torres de enfriamiento de tiro natural, de tiro inducido y forzado. 80 4.2 Partes de una torre de enfriamiento ... 81 4.3 Materiales de la torre . 82 4.4 Tipos de madera para construir torres de enfriamiento .. 84 4.5 Seccionamiento de las torres de enfriamiento 84 4.6 Equipo auxiliar ... 85 4.7 Instrumentos de medicin .. 87 4.8 Aparatos para el control del tratamiento del agua de recirculacin .. 88



CAPITULO V DISEO CLAVE DE COMPONENTES DE TORRES DE ENFRIAMIENTO.

5.1 Distribucin del agua .......................................................................................93 5.2 Toberas esperadoras.........................................................................................97 5.3 Distribuidor rotatorio ......................................................................................97 5.4 El empaque o rellenado ...................................................................................99 5.5 Ventiladores ..................................................................................................106 5.6 Reductores de velocidad ...............................................................................110 5.7 Chimenea del soplador o ventilador .............................................................112 5.8 Las persianas de entrada de aire ...................................................................114 5.9 Eliminadores de niebla ..................................................................................115 5.10 La sentina ....................................................................................................118

CAPITULO VI TERMINOS IMPORTANTES EN TORRES DE ENFRIAMIENTO

6.1 Performancia de la torre ................................................................................133 6.2 Visita auxiliar de ganancia y aprovechamiento ............................................134

CAPTULO VII SELECCIN, OPERACIN Y MANTENIMIENTO DE TORRES DE ENFRIAMIENTO.

7.1 Operacin del equipo ....................................................................................137 7.2 Procedimiento para poner en servicio una torre de enfriamiento .................138 7.3 Mantenimiento de torres de enfriamiento .....................................................142 7.4 Mantenimiento para una torre atmosfrica ...................................................147

7.5 Mantenimiento para una torre de tiro mecnico ...........................................148 7.6 Rotacin del equipo ......................................................................................149 7.7 Determinacin de fallas de la operacin .......................................................150 7.8 Operacin y mantenimiento en tiempo fro ..................................................152



ANEXOS ............................................................................................................159 CONCLUCIONES ..............................................................................................168 BIBLIOGRAFA


JOSE GUADALUPE MALDONADO R 1

JUSTIFICACION

El principal propsito del presente trabajo es reforzar una seccin de la clase de plantas trmicas de la Facultad de Ingeniera Mecnica de la U.M.S.N.H., as como tambin, empezar a conocer lo que son las torres de enfriamiento, los tipos que hay, sus elementos, los trminos usados para ellos, y los problemas que en ellas se tienen, y no con el propsito de disear torres de enfriamiento; sin embargo, en el desarrollo de este trabajo se dan los principales fundamentos para el diseo de ellas.



RESUMEN

El tratamiento del agua de enfriamiento juega un papel vital en la operacin de Torres de enfriamiento, este tema se desarrolla y se explica en el capitulo I, as como Tambin, los tipos de sistemas de enfriamiento que existen y las diferentes fuentes de Suministro de agua, tambin se explica el tratamiento qumico para cada suministro. En el capitulo II, se definen los principales fundamentos para el enfriamiento por Evaporacin, as como el manejo de la carta psicometrica y los tipos bsicos de Sistemas de enfriamiento. Los tipos de torres de enfriamiento se describen en el capitulo III, as como sus Innovaciones para su mejor funcionamiento y mayor eficiencia. Los tipos mas comunes de torres de enfriamiento de acuerdo a su forma de diseo y Los materiales para su construccin, son desarrollados en el capitulo IV, as como las Partes que la componen, el equipo auxiliar y los instrumentos y aparatos para medir las diferentes variables para el control de su funcionamiento. En el capitulo V, se describen los componentes claves de las torres de enfriamiento, esto es, los componentes que provocan la eficiencia del enfriamiento del agua y la descripcin del equipo mecnico y dinmico. Los trminos ms importantes dentro del lenguaje de las torres de enfriamiento, as como el mejoramiento las torres y una descripcin sobre la ganancia y aprovechamiento, son explicadas en el capitulo VI. El capitulo VII proporciona al lector una gua de cmo seleccionar una torre de enfriamiento, El procedimiento para operar el equipo mecnico y un programa para el mantenimiento general de la torre. Al final de este trabajo, se anexan las conclusiones generales sobre el mismo, y se muestran unos ejemplos para conocer el manejo y uso del nomograma y as saber cual es la performancia de la torre.



GLOSARIO

Aparato clorador Sirve para dosificar cloro mezclado con agua

directamente a la presa que se regula por medio de

un rotmetro.

Bacteria ( alga o moho ) Estos microorganismos son impurezas indeseables

ya que atacan la madera principalmente y cualquier

superficie slida, produce corrosin, ensucia y tapa

los conductos y equipos por donde recircula el agua

de enfriamiento, estos microorganismos son

tomados generalmente del aire atmosfrico.

Bombas Sirven para dar velocidad y presin a un fluido, en

este caso, el agua de enfriamiento.

Corrosin Es un fenmeno electroqumico que atrae las partes

del metal y es causado por la presencia de gases en

el agua y por pH bajo ( agua acidosa ).

Delta T Es un diferencial de temperatura de entre, salida y

retorno en agua de enfriamiento.

Energa Es todo aquello capaz de producir un trabajo.

Flujo Es la cantidad de fluido que pasa de un lugar a otro

en un determinado tiempo.



Gastos o produccin Capacidad de diseo y efectividad de una bomba De bomba

Incrustacin Es un recubrimiento de las superficies metlicas

causadas por sales solubles, de calcio, magnesio,

hierro, etc.

Lubricacin Es una pelcula de aceite o cualquier liquido entre

dos partes slidas que estn en rozamiento o friccin.

Motor elctrico Sirve para dar movimiento al equipo ( bombas y

reductores en abanico ).

Nivel Es la cantidad de llenado de un recipiente

pH Es la cantidad de hidrogeno que tiene un liquido.

Presin Es una fuerza que se aplica en una rea, y se mide e

en unidades de: kg/cm2 , lb/in2 .

Reductor de velocidad Reduce y/o regula la velocidad que manda un motor

o turbina.

Sistema de cloracion Consiste en un rotametro o aparato clorador,

mezclador o eyector, manmetro de presin,

mangueras conectadas a un cabezal alimentado por

gas o cloro, un cilindro de cloro liquido de 908 Kg.



de capacidad. Despus hecha la mezcla de cloro con

agua, se manda ala prensa por lneas difusoras del canal

Termmetro Sirve para medir temperatura, ya sea en C o F.

Turbina de vapor Sirve para dar movimiento a reductores de bombas

de recirculacin ( ya que convierte la energa calorfica

en mecnica ).

m.p.h. Millas por hora.

g.p.m. Galones por minuto.



INTRODUCCION.

Uno de los principales servicios de soporte de la industria petroqumica, de refinacin y potencia, consistente en la eliminacin de los excedentes energticos que por bajo nivel de temperatura ( no obstante sus grandes volmenes de calor ), es necesario remover, por no ser econmicamente aprovechables dentro del proceso.

Tanto el medio de enfriamiento como el sistema mismo, se deben definir en funcin de diferentes factores, tales como niveles de temperatura, disponibilidad y calidad del medio de enfriamiento, propiedades termofisicas, equipo requerido, inversin en el sistema, prdidas y reposicin, etc.

Por su abundancia relativa, calidad y propiedades, el agua ha sido un medio efectivo de enfriamiento en toda la industria y que sin embargo, debido a la creciente demanda que provoca el desarrollo industrial, cada vez se dificulta ms su utilizacin eficiente y requiere de inversiones adicionales en su tratamiento, reenfriamiento y en el mantenimiento de todo el sistema.

Es bien comprensible que debido a las caractersticas del agua y a los problemas de su escasez, los sistemas de enfriamiento que lo utilizan deben de ser cada vez mas eficientes y por consiguiente los equipos que lo integran.

En la industria cada da se emplean mas equipos donde se usa agua como medio de enfriamiento, por ser esta relativamente barata y con una gran capacidad para absorber calor. Pero aun as a ninguna industria le conviene tirar al drenaje esa agua que se ha calentado, ni tampoco almacenarla esperando a que se enfri pues esto creara como resultado el tener que almacenar volmenes enormes de agua.



La solucin mas sencilla y econmicamente para el problema anterior son las torres de enfriamiento , que tiene por objeto enfriar el agua que se les enva dejndola de inmediato lista para volver a usar.

Las torres de enfriamiento tienen como funcin especifica el enfriamiento del agua en un proceso; esto se logra por medios mecnicos para disipar el calor, el cual proviene de los condensadores, enfriadores, cambiadores de calor de proceso y otros tipos. El agua es el agente absorbedor y transmisor del calor y la torre el medio para la eliminacin del mismo.

Las torres para su funcionamiento necesitan la entrada de aire fro y que ste entre en contacto con el agua caliente a su retorno del sistema; este aire es suministrado a travs de las rejillas y mamparas de la torre, por tiro natural, tiro inducido o tiro forzado.

Las torres de enfriamiento son el corazn del sistema mas comn de circuito abierto y por consiguiente su importancia relevante. El propsito del presente trabajo es establecer una clasificacin adecuada de los diferentes tipos de torres que se han desarrollado a lo largo del tiempo, describir todos sus componentes y funciones.

Para una mayor compresin, se explican en forma general los fundamentos tericos de transferencia de calor, as como tambin se consideran aspectos de materiales.



EL SISTEMA DE AGUA DE ENFRIAMIENTO.

Este termino es aplicado donde quiera que el agua esta circulando a travs de condensadores, enfriadores, o los diversos tipos de cambiadores de calor; a su paso por estos equipos, el agua absorbe el calor y es necesario enfriarla para poderla utilizar nuevamente. Este enfriamiento se logra de diferentes formas segn el tipo de sistema de enfriamiento que se use, general de estos sistemas es la siguiente.

1).- Sistema de un solo paso. 2).- Sistema de circulacin.

En el primero de estos sistemas, como su nombre lo indica, solamente una vez pas a el agua por el equipo enfriador; es usado en aquellos lugares donde se dispone de grandes fuentes de agua, como los ros, lagos o manantiales.

El sistema de circulacin es el de mayor aplicacin industrial y se subdivide en:

a).- Sistema de circulacin abierto. b).- Sistema de circulacin cerrado.

En el sistema de circulacin abierto, el ciclo de circulacin se inicia bombeando el agua desde un deposito de agua fra y hacindola pasar por los enfriadores, estos la descargan en otro deposito de agua caliente de donde ser bombeada nuevamente hasta las torres de enfriamiento o bien a estanques de rociado, donde el calor que contiene es liberado debido a la evaporacin, quedando por lo tanto en condiciones de volverse a utilizar,



Repitindolo el ciclo. La figura muestra un flujo tpico del sistema de circulacin abierto. El sistema abierto es usado generalmente en grandes instalaciones, tales como los procesos de enfriamiento en la industria del petrleo.

En el sistema de circulacin cerrado, el calor absorbido por el agua al pasar por los enfriadores, es abandonado en otros cambiadores de calor valindose de agua de enfriamiento que procede de alguna otra fuente. El volumen de agua de circulacin, se ve afectado nicamente por las perdidas en estado lquido que se tienen en algunas vlvulas mal cerradas y fugas debido a diferentes causas. Al eliminarse la evaporacin, se tienen menos problemas con los slidos debido a que no se concentran.

CIRCUITO AGUA VAPOR EN UNA PLANTA TERMOELECTRICA MOSTRANDO LA POSICION DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO.



1.1 ESPECIFICACIONES DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.

Las especificaciones para aguas de enfriamiento varan tanto que no es posible fijar en forma general las condiciones para el agua puesto que esta varia en cada caso de acuerdo con la naturaleza del agua y del tipo de industria que se trate, las nicas especificaciones generales que se pueden dar son:

- El agua no debe formar incrustaciones que constituyan aislantes trmicos y depsitos orgnicos o inorgnicos que obstruyan el paso de la misma; adems no debe ser corrosiva.

- El agua de enfriamiento empleada en las instalaciones industriales debe de reunir determinadas caractersticas en lo que respecta a la concentracin y tipos de compuestos que normalmente lo acompaan, sin embargo, dichos compuestos son caractersticas de las fuentes de suministro y de la poca del ao.

Las diferentes fuentes de suministro podemos dividirlas fundamentalmente en cuatro tipos:

- Agua de lluvia. - Aguas superficiales ( corrientes, lagos, lagunas, etc.) - Agua de mar. - Aguas del subsuelo( manantiales, pozos artesanos ).

El agua de lluvia, debera de estar libre de contaminantes, pero a medida que se aproxima a la superficie va contaminndose con gases atmosfricos (O2, N2, CO, CO2 ) y humos en suspensin, as como microorganismos,



Polvo, etc; que normalmente se encuentran en la atmsfera. Cuando comienza su

proceso de precolacin a travs de las capas superficiales, absorbe mas CO2, formando

el hipottico H2CO3, ocasionando un incremento en su potencia solvente y por lo tanto

disolver los compuestos inorgnicos constituyentes de las diferentes capas por las

cuales atraviesa y que sern los que les confieren las caractersticas con que finalmente

se les encuentre.

Las aguas superficiales estn constituidas en su mayor parte por el agua de lluvia, de

aqu que los contaminantes que la impurifican sean los caractersticos de las diferentes

zonas por las que atraviesa. Las aguas de estanques y lagos son susceptibles de

purificarse as mismas cambiando su calidad, debido sobre todo al reposo parcial a que

estn sujetas.

SUMINISTRO DEL AGUA DE LLUVIA.



El agua de mar presenta las ms altas concentraciones de slidos disueltos y materia orgnica, de aqu que su uso esta limitado, debido al alto costo de tratamiento, pues los mtodos de evaporacin instantnea requieren en la actualidad de enormes inversiones, haciendo que su uso sea muy limitado.

Las aguas del subsuelo provenientes de pozos poco profundos pueden ser blandas o duras, dependiendo de la composicin del rea que les rodea. La filtracin natural, hace que estas aguas estn relativamente libres de turbidez y de materia orgnica. Este tipo de agua, generalmente es mas blanda que el agua de pozo profundo, pues esta tiene una alta concentracin de slidos disueltos. En general el agua de pozo es clara e incolora, no as el agua de manantiales que generalmente es afectada por los contaminantes normales de la superficie.

El agua de superficie ( ros, lagos, etc. ), generalmente tiene temperaturas acordes con la poca del ao, en cambio el agua de pozos, se encuentra aproximadamente medio grado centgrado por cada 64 pies de profundidad arriba de la temperatura promedio anual del aire.

SISTEMA DE SUMINISTRO DE AGUA DE RIO.



1.2 TRATAMIENTO DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO.

Su papel en la operacin de torres de enfriamiento.

El tratamiento del agua juega un papel vital en la operacin de torres de enfriamiento. El mantenimiento de una torre de enfriamiento puede irse muy arriba a menos que el agua sea tratada para evitar corrosin, depsitos, formacin biolgica y proteger la madera de la torre del ataque qumico.

Debido a la evaporacin del agua, hay una concentracin de lo slidos disueltos y en suspensin contenidos en ella, los principales elementos causantes de incrustaciones son los compuestos de Calcio y Magnesio que casi siempre se encuentran presentes en el agua, entre los principales mtodos de tratamiento se pueden mencionar los siguientes:

a).- Tratamiento cido. b).- Tratamiento de Hidrxido de calcio. c).- Tratamiento de Zeolita. d).- Tratamiento con Cloro y sulfato de cobre. e).- Tratamiento de poli fosfato.

Cuando el agua tiene una alcalinidad alta y relativamente baja dureza total, el tratamiento cido es empleado con mucha frecuencia y comnmente es el cido sulfrico con el que se reduce dicha alcalinidad, tambin es sugerido el cido clorhdrico solo que resulta mas costoso que el primero.

En la prctica no es neutralizada toda la alcalinidad y se conserva un pequeo valor de la dureza de calcio con el objeto de que se forme una delgada pelcula de carbonato de calcio en las superficies de los cambiadores que inhiba la corrosin.



El tratamiento cido esta basado en el hecho de que los sulfatos de calcio y magnesio son mucho ms solubles que sus carbonatos.

El mantenimiento de una torre de enfriamiento, excluyendo el equipo mecnico, est ntimamente ligado a la calidad del agua usada. Por consiguiente es casi imposible tratar el mantenimiento de las torres de enfriamiento. El problema de este tratamiento constituye todo un captulo por si solo. La opinin general de los operadores de instalaciones industriales que se presentan aqu, no pretende ofrecer una solucin de un problema especifico de tratamiento de agua, si no que solamente debe servir de gua. Para problemas especficos, se recomienda que se consulte cualquiera de las varias compaas especializadas en el tratamiento de las aguas. Sin embargo, puede decirse que el tratamiento de aguas es para controlar algas, la formacin de incrustaciones y para evitar el deterioro de de los materiales utilizados en la construccin del equipo.

Muchos de los operadores han determinado que el cloro es uno de los agentes ms adecuados para controlar algas. En muchas instalaciones un control satisfactorio de estas se obtiene inyectando de seis a ocho libras de cloro por da por cada 1,000 galones por minuto que circulan. Si esta cantidad se aade sistemticamente el agua, en un corto plazo se desarrollar un tipo de alga inmune al cloro. Por consiguiente, aproximadamente cada diez das, y por un corto perodo, la cantidad de cloro suministrada al sistema, debe aumentarse varias veces, evitando as que se desarrollen estas algas inmunes al cloro.



En trminos generales, mediante el control del pH del agua de la torre de enfriamiento, es posible controlar el rgimen de formacin de incrustaciones en la tubera y en los tubos de los cambiadores. Mientras ms alto sea el pH del agua, mayor es la tendencia para la formacin de incrustaciones. Cuando el pH es mayor de siete, hay poca o ninguna incrustacin; ms bien los metales en contacto con el agua, comienzan a disolverse lentamente. La ms reciente y ms satisfactoria prctica es la de mantener el pH del agua entre el 6.5 y 7 y luego un inhibidor para la corrosin al sistema. Esto mantiene la tubera y los tubos de los cambiadores limpios y evitan que el metal se corroa. Sin embargo, este tratamiento solo debe intentarse bajo el consejo de un especialista en tratamiento en aguas.

En ciertas reas el agua tiende a ser muy alcalina, debido a la presencia de sales de sodio, de calcio y magnesio que ocurren en forma de bicarbonatos. Esta situacin queda an ms agravada con la tendencia a la concentracin de las sales en el sistema. Se ha notado que cuando el pH del agua es mayor de 9.0 y cuando hay presencia de grandes cantidades de bicarbonatos, la contextura de la madera en la torre de enfriamiento puede quedar seriamente afectada. Esto se nota especialmente cuando la madera queda alternativamente mojada y seca, una condicin que se presenta en los lados de una torre atmosfrica. En estos puntos los bicarbonatos se concentran y se transforman en carbonatos normales. Los carbonatos normales atacan y disuelven la lignina en la madera, produciendo un efecto llamado deslignificacin . Esto puede reconocerse por una estructura blanda, esponjosa, y fibrosa de la madera que aparenta estar podrida. La nica manera de evitar la deslignificacin, puede controlarse manteniendo el pH del agua por debajo de 8.5. Una vez comprendida la importancia del problema del agua, el operador subsiguientemente debe dar consideracin a un programa metdico de inspeccin y mantenimiento para su equipo de enfriamiento. Este programa de inspeccin metdica debe incluir el sistema



de distribucin, el rellenado, la cubierta exterior ( los paneles, las rejillas o arreadores y los paneles de goteo ), la estructura, el estanque los eliminadores de prdida del agua por el viento, las secciones de caja de serpentines y el equipo mecnico.

1.3 EL OBJETO Y FORMA DE USAR EL CIDO SULFRICO.

El uso de cido sulfrico tiene por objeto mantener el agua con una concentracin adecuada de acidez, ya que por, experiencia se ha visto que a una acidez fija o sea de un pH determinado, el agua en recirculacin no destruye la madera de que estn hechas las torres; tiende a tener condiciones mas estables y por consiguiente no ir a incrustar las tuberas, los intercambiadores de calor, condensadores y dems equipo por enfriar.

Evitara tambin que no vaya a corroer o picar la madera y metales.

Para ello se ha observado que un pH de 6.5 como trmino medio es el adecuado para su control. Para mantener el valor prefijado de pH de 6.5, se requiere una adicin controlada rigurosamente de cido sulfrico concentrado, el cual es agregado por gotas a la presa de succin de las bombas.

En cada torre o grupo de torres se instala un tanque para cido, con la capacidad necesaria de almacenamiento, dependiendo del volumen de agua a tratar. El tanque tiene las conexiones de descarga necesarias para la adicin controlada de este cido, para mantener el pH necesario.

Para el control de cada torre se instala un medidor de pH, con el cual se regula la adicin de acuerdo con las lecturas, al bajar el pH de 6.5 se suspende el cido y al aumentar de 6.5 se abrir. Este control se hace manualmente, salvo el caso en que se haya instalado medidores controladores de pH.



PH

CONTROL DE CORROSION EN FUNCION DEL pH

Es necesario, sin embargo, que una o dos veces por turno el laboratorio qumico verifique los valores del pH para evitar una posible falla en el medidor o para que ste sea ajustado peridicamente.

corrosion de acero40 sin inhibidor prueba con 5 dias de agitacion

tem - 35CpH ajustado a 7:0

30

60 mg/litro 60 mg/litro20 aditivo "A" aditivo "B"

10

60 mg/litro



1.4 INHIBIDOR DE CORRSION.

Al operar con carcter ligeramente cido, se corre el riesgo de que por falla en el medidor de pH ste baje mas de lo normal y con ello se tendr que el agua tienda a corroer o picar el equipo del sistema por enfriar, para evitar lo anterior, se agrega en forma continua un inhibidor de corrosin, esto es, una mezcla de sustancias qumicas que hacen que el agua no obstante que sea cida, no corroa el sistema.

Su adicin, al igual que la del cido, se efecta por goteo de una solucin preparada y diluida con agua, en un tanque ex profeso instalado generalmente a un lado del tanque de cido. La adicin se hace manualmente por medio de una vlvula.



NOTA. Tanto el cido como el inhibidor, cuando se cuenta con el equipo necesario, se dosifican por medio de bombas adecuadas con capacidad de dosificacin graduable, con lo cual se logra mejores resultados.



1.5 ACONDICIONADOR DE LODOS.

Cuando el agua de repuesto es cruda, proveniente de ros, en las pocas de lluvia traer una alta concentracin de arcillas y lodos que perjudicarn al equipo por su alta turbiedad; en estos casos es aconsejable aadir a la presa un compuesto que haga que ese lodo se decante y pueda eliminarse por purgas a la presa de fondo. Con esto se lograr que el agua turbia los lodos, se precipiten y peridicamente sean eliminados, purgando por las compuertas de la presa al drenaje los lodos acumulados.

El Bicarbonato de Calcio normalmente presente en todas las aguas, se descompone para formar un carbonato de calcio relativamente insoluble, de aqu que una incrustacin de Carbonato de Calcio es el tipo ms comn de depsito en sistemas de enfriamiento.



El Carbonato de Calcio tiene una solubilidad de 13 a 15 p.p.m. a temperaturas comprendidas entre 32 y 212 F en tanto que la solubilidad del sulfato de calcio no es menor de 1250 p.p.m., lo mismo sucede con el carbonato y el hidrxido de magnesio cuyas solubilidades son de 75 a 100 p.p.m. para el carbonato y de 8 a 17 p.p.m. para el hidrxido, en cambio el sulfato de magnesio tiene de 170,000 a 356,000 p.p.m., por lo tanto al cambiar los carbonatos a sulfatos agregando el cido sulfrico no se forman incrustaciones, pero se hace necesario controlar las cantidades agregadas con el propsito de no convertir en corrosiva el agua.

Si la concentracin del sulfato de calcio se mantiene debajo de 1250 p.p.m. lo ms probable es que no se formen incrustaciones.

1.6 CLORACIN.

Todas las aguas usadas en los sistemas de enfriamiento, comnmente se infectan con microorganismos tales como las bateras y hongos, llegan a reproducirse en tal forma que dificultan la circulacin del agua en los cambiadores de calor y producen un cieno que se que se deposita en las superficies donde se intercambia el calor, obteniendo como resultado una disminucin de la eficiencia del equipo enfriador, para evitar estas concentraciones de materia orgnica y los trastornos que originan, es necesario matar o inhibir el crecimiento de estos microorganismos, mediante la adicin de ciertos agentes qumicos tales como el sulfato de cobre, cloro, bromo, etc.



El cloro es probablemente el agente ms ampliamente usado para el control de los depsitos microbiolgicos e los sistemas de recirculacin, en ausencia de sustancias que causan una elevada demanda de cloro; la cloracin es generalmente el mtodo ms econmico de tratamiento.

La cloracin no forma parte del tratamiento de acondicionamiento del agua para los fines de enfriamiento. Su funcin es para impedir la formacin de lamas, hongos y otros micro-organismos que son dainos para la madera ya que el ataque de estos tiende no solo a destruir el maderamen de la torre si no a provocar atascamientos en los ductos del agua y por ende, a disminuir la capacidad de enfriamiento, ocasionando perdidas por bajo tiempo, etc.

El cloro es altamente txico y acta rpidamente matando las bacterias y algas. Para evitar el crecimiento de algas en los sistemas de aguas de enfriamiento es necesario:

1.- Suministrar suficiente cloro para asegurar un contenido de cloro residual en el agua tratada.

2.- Que el cloro residual requerido se mantenga en el sistema el tiempo necesario para asegurar la destruccin de microorganismos



Un cloro residual de 0.5 a 1.0 p.p.m. destruir la mayora de los microorganismos. El cloro es usado como medio ms comn y econmico para evitar la formacin de lamas, algas, hongos, etc., Por ser un poderoso algicida y bactericida de uso fcil y de control regulado, a travs de un aparato sencillo manejo y control llamado clorador.

El clorador en s es un aparato que permite que el cloro en solucin acuosa se aade a la presa. El cloro proveniente de los cilindros mediante una conexin similar a la de los cilindros de gas para uso en las cocinas, se manda por un cabezal a un dosificador, en donde se regula la cantidad por usar, un rotmetro nos indica la cantidad usada del regulador para el cloro en forma gaseosa a un inyector, a donde llega agua a presin regulada. El gas cloro y el agua mezclados descargan a una lnea que va a la presa de succin de las bombas. La regulacin del flujo deseado se hace de acuerdo con los informes del laboratorio qumico para tener una cantidad de cloro residual de 0.3 a 0.5 partes por milln o miligramos por litro.



SISTEMA DE CLORACIN

1.7 ADICIN PERIODICA DE UN MICROBICIDA.

Por haber determinados micro-organismos resistentes a la accin del cloro o sus derivados, se hace necesario peridicamente aadir un compuesto qumico de accin fuertemente lamicida y bactericida, de poder y diferente composicin a la del cloro. Esta adicin se hace ya sea por medio de un aspersor o directamente al agua recirculante. Los resultados que se obtienen son bastantes satisfactorios, la cantidad por usar se hace en relacin con el volumen del agua en el sistema y con la severidad del ataque microbicida observando. Generalmente el uso y manejo de estos compuestos no requiere equipo especial.



1.8 INDICE DE SATURACIN O INDICE DE LANGELIER.

Se comprende la importancia que tiene el poder controlar el grado de incrustacin o la capacidad corrosiva que tenga el agua en un sistema de enfriamiento. El ndice de saturacin determina claramente cuando un agua es corrosiva y cuando resulta incrustante.

El ndice de saturacin o Langelier mide la tendencia del Carbonato de Calcio a precipitar bajo condiciones dadas de dureza de calcio, alcalinidad, pH, temperaturas y slidos totales disueltos.



Una vez que se conoce el anlisis completo de cualquier suministro de agua, el uso de grficas, nomogramas y hasta reglas de clculo especiales, ayudan a calcular rpidamente.

Un ndice positivo significa agua que tender a depositar incrustacin mientras que un ndice negativo tiende a disolver la incrustacin, por lo tanto corroe.

Reduciendo la dureza al calcio, la alcalinidad total, el pH, o una combinacin de estos tres, decrecer el ndice del agua.

El ndice de saturacin o de Langelier, se define como la diferencia algebraica entre el valor actual del pH medido con un potencimetro y el valor calculado pHs segn la ecuacin de Langelier.

pH - pHs = Is ( ndice de saturacin )

En su forma simplificada aplicable a aguas cuyo pH no sea menor de 6.5 ni mayor de 9.5, la ecuacin de Langelier se representa por la expresin:

pHs = ( pk2 - pks ) + pCa + p Alc

La aplicacin de esta frmula no obstante que los valores de las magnitudes que en ella intervienen se encuentran tabulados con variaciones amplias en la composicin del agua, resulta un tanto laboriosa y no fcil de hacer clculos rpidos.

Con el propsito e hacer ms simple y rpido el clculo del ndice de Saturacin, el Sr. Eskel Nordell llev la ecuacin de Langelier a la forma:



pHs = ( 9.3 + A + B ) - ( C + D )

Tabulando al mismo tiempo los valores de A, B, C, y D en la tabla con la cual se obtienen resultados lo suficientemente precisos para todos los propsitos prcticos.

Fundamentalmente el valor del ndice de Saturacin o de Langelier dependen de cinco factores, estos son:

a).- Slidos totales disueltos. b).- Temperatura del agua. c).- Dureza de Calcio. d).- Alcalinidad total. e).- Valor del pH.

Cada uno de estos factores excepto el de los slidos totales disueltos ( S.T.D. ) aumentan la tendencia a formar incrustacin cuando experimentan un incremento.

1.9 INTERPRETACIN DEL INDICE DE SATURACIN.

El ndice de Saturacin o de Langelier es una indicacin cualitativa de la tendencia del agua a formar incrustaciones, destruir las ya formadas o la condicin de equilibrio, cuando el ndice de saturacin es positivo, la tendencia del agua es la de formar Carbonato de Calcio, esto es, a producir incrustaciones, cuando resulta negativo, la tendencia corrosiva est presente; el estado de equilibrio se logra cuando el valor del ndice de saturacin es igual a cero.



El ndice de Langelier no es una medida de capacidad, sin embargo, existe el ndice de estabilidad que si tiene significancia cualitativa, pues la magnitud del mismo da una idea aproximada de la capacidad de incrustacin o corrosin del agua, el valor del ndice de Estabilidad lo da la siguiente expresin emprica.

2 pHs - pH = Ie ( ndice de Estabilidad )

Un ndice de Estabilidad de cinco, representa una agua de mayor capacidad de incrustacin que cuyo ndice sea igual a seis, en la misma forma, un ndice de estabilidad de diez representa un agua con mayor poder corrosivo que otra con ndice de estabilidad de nueve. Cuando la magnitud del ndice de Estabilidad est comprendida entre siete y ocho, indica condiciones de equilibrio o escaso poder de incrustacin o corrosin.

Los ndices de saturacin y estabilidad deben complementarse para determinar ms exactamente las tendencias del agua, en relacin con lo expuesto sobre los mismos, puede hacerse el siguiente resumen:

NDICE DE SATURACIN NDICE DE ESTABILIDAD pH - pHs > 0 Incrustacin 2pHs - pH = 6.0 pH - pHs > 0 Equilibrio 2pHs - pH = 7.5 pH - pHs > 0 Corrosin 2pHs - pH = 8.0



DATOS PARA EL CLCULO DEL NDICE DE SATURACIN.

A B

SLIDOS TOTALES (P.P.M.)

A

TEMPERATURA

(F)

B

50 - 300 400-1000

0.1

0.2

32-34

36-42 44-48

50-56 58-62 64-70 72-80

82-88 90-98

100-110 112-122

124-132 134-146 148-160 162-178

2.6 2.5 2.4

2.3 2.2

2.1

2.0

1.9 1.8

1.7

1.6 1.5 1.4

1.3 1.2



C D

SLIDOS TOTALES (P.P.M.)

D

ALCALINIDAD (p.p.m. de CaCO3)

D

10 11 12 13

14 17

18 22 23 27

28 34 35 43 44 55 56 69 70 87

88 110

111 138 139 174 175 220 230 270

280 340 350 430 440 550 560 690 880 - 1000

0.6 0.7

0.8 0.9 1.0

1.1

1.2

1.3 1.4

1.5 1.6 1.7

1.8

1.9 2.0

2.1

2.2

2.3 2.4

2.6

10 11 12 13

14 17

18 22 23 27

28 35 36 44 45 55 56 69 70 88

89 110 111 139 140 176 177 220 230 270

280 350 360 440 450 550 560 690

890 1000

1.0 1.1

1.2

1.3 1.4

1.5 1.6 1.7

1.8

1.9 2.0

2.1

2.2

2.3 2.4

2.5 2.6 2.7

2.8

3.0

PHs = ( 9.3 + A + B ) ( C + D )



1.10 PRDIDAS EN LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.

El sistema que resulta ms afectado por las prdidas es el de circulacin abierto, la forma caracterstica de este sistema es la razn directa de que resulte ms afectado, ya que siendo abierto, est sujeto a las prdidas producidas por la evaporacin y las causadas por el arrastre atmosfrico en estado lquido. En el sistema cerrado se eliminan las prdidas que ms afectan al sistema de circulacin abierto, por lo tanto, es ms fcil el control del agua en los circuitos cerrados.

Los tcnicos especializados en la construccin de torres de enfriamiento han encontrado que la cantidad de agua perdida en la evaporacin, flucta entre 0.28 a 1.25 % del volumen de circulacin por cada 10F de abatimiento de la temperatura del agua en las torres. Para propsitos prcticos, puede tomarse el 1% por cada 10F.

La magnitud de las prdidas en estado liquido debidas al arrastre atmosfrico varan con el tipo de torre de enfriamiento usada; los valores siguientes, basados en los volmenes de circulacin, pueden ser considerados como tpicos de las prdidas en estado lquido.

Estanque de Rociado .. 1.0 a 5.0 % Torres con tiro natural ... 0.3 a 1.0 %

Torres con tiro mecnico ... 0.1 a 0.3 %

La suma de las prdidas producidas por la evaporacin y arrastre en estado liquido, representan la cantidad de agua que hay que agregar al sistema para conservar constante el volumen de agua de enfriamiento.



En los sistemas de circulacin en donde el agua es concentrada por la evaporacin, los problemas de incrustacin se complican; para evitar excesivas concentraciones, es necesario agregar a los sistemas de enfriamiento cantidades de agua mayores que las que resultan de sumar las perdidas, el exceso es derramado y constituyen lo que se llama purgas a las torres .

Para controlar el grado de concentracin del agua, as como la magnitud de las purgas, se han determinado unas curvas que relacionan los porcentajes de prdidas y los ciclos de concentracin.

Para ilustrar el uso de las curvas y determinar el comportamiento de los diferentes tipos de torres por lo que respecta a la concentracin del agua, supngase que la temperatura de la misma se reduce a 20 F para los tres tipos de torres de enfriamiento ya mencionados, como qued anotado por cada 10 F de abatimiento de la temperatura, se evapora el 1% de volumen de circulacin, corresponden por lo tanto a las prdidas por evaporacin un 2% para la temperatura supuesta.



Asignando un 2% a las prdidas en estado liquido para un estanque de rociado, se tienen dos ciclos de concentracin del agua.

Para una torre con tiro natural suponiendo que las prdidas debidas al arrastre atmosfrico fueran 1%, el nmero de ciclos de concentracin resulta de tres.

Para torres con tiro mecnico y con perdidas en estado liquido supuestas en 0.3%, se producen aproximadamente 7.5 ciclos de concentracin.

Se aprecia al comparar los resultados anteriores que el tipo de torre limita los mximos ciclos que se pueden desarrollar en un sistema d enfriamiento. Mientras que las prdidas por evaporacin tiendan a producir la concentracin de los slidos es necesario suplirlas mediante purgas a las torres; estas purgas normalmente son continuas y se logran agregando agua al sistema. La cantidad de agua purgada puede ser determinada valindose del mismo grupo de curvas de la manera siguiente:

Se encontr para las torres con tiro mecnico que se desarrollan 7.5 ciclos de concentracin cuando las prdidas son de 2% para la evaporacin y de 0.3% en estado liquido, suponiendo que nicamente fueran permisibles tres ciclos de concentracin, para las mismas prdidas por evaporacin sera necesario tener 1% para las perdidas por estado liquido, es decir, 0.7% de incremento en las prdidas en estado liquido para conservar en tres el nmero de ciclos de concentracin, el incremento de 0.7% sobre el volumen de circulacin representa la magnitud de la purga necesaria.



El Purgado ( Blowdown ), es uno de los medios para reducir la concentracin de Ca y de la alcalinidad en el agua recirculada: Hay mtodos para tratamiento externo del agua para ajustar su anlisis y ellos incluyen:

1).- Proceso en fro de suavizacin con LIMITE seguido por alimentacin cida para ajustar el pH y la alcalinidad. 2).- Suavizacin por intercambio inico con by pass de agua dura, seguido por una alimentacin cida si es necesario. 3).- Alimentacin de H2SO4 para aguas moderadamente duras con alta alcalinidad. El tratamiento cido con H2SO4 conserva la formacin de incrustacin de sales de Ca y Mg en solucin, bajando el pH del agua en circulacin. Los inhibidores qumicos son entonces necesarios para checar la corrosin. Los agentes qumicos superficialmente activos o agentes CHELATING evitan la formacin de cristales y por lo tanto la formacin de incrustacin. En efecto, ellos incrementan el rango de solubilidad de las sales formadoras de incrustacin. El tratamiento de incrustacin controlada ajusta la composicin del agua, as a una capa de incrustacin impenetrable compuesta de un depsito de Carbonato de Calcio, sobre la superficie del Sistema de circulacin del agua. Las incrustacin deber ser lo suficientemente gruesa para evitar la corrosin, pero suficientemente delgada para no afectar la transferencia total de calor. El control de la corrosin es proporcionado por inhibidores, cromatos, polifosfatos, silicatos, lcalis. La floracin micro-biolgica ( ligamo y algas ), retardan el enfriamiento reduciendo la eficiencia de la planta y elevan el costo de mantenimiento del sistema de enfriamiento. Cuando la floracin se disemina llega a tapar lneas, bombas y equipo. La limpieza mecnica es el mejor modo de librarse de la floracin micro-biolgica acumulada; pero para mantenerla dentro de ciertos limites se usan compuestos clorinados, fenlicos o amoniacales.



EJEMPLO DE ABASTECIMIENTO DE AGUA PARA UNA PLANTA EN PROCESO.



CAPTULO II FUNDAMENTOS

DEL ENFRIAMIENTO POR

EVAPORACIN



FUNDAMENTOS DEL ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIN.

A travs de los aos el hombre ha aprendido que para conservar el agua fra se requiere almacenarla en recipientes porosos o en sacos especiales. La evaporacin del sudor ayuda al cuerpo humano a permanecer a su temperatura normal de 36.5 C ( 98.6 F ), an en lugares en lugares donde el ambiente es mas caliente.

En cualesquiera de los casos la humedad expuesta a la atmsfera se evapora; como el liquido cambia a vapor consume calor, se le llama CALOR LATENTE DE VAPORIZACIN y es de ~ 1000 btu / lb de agua evaporada. Este calor se toma principalmente del agua restante, bajando as su temperatura.

2.1 EL CALOR SENSIBLE

Definido como el calor que cambia la temperatura, es tambin parte de la imagen enfriante, debido a que cuando el agua est ms caliente que el aire hay alguna tendencia ( en la adicin en la evaporacin ) del aire a enfriar el agua. El aire entonces se pone ms caliente a medida que gana calor sensible; el agua es enfriada con calor sensible que es transferido al aire. En promedio, aproximadamente el 75% del calor total es removido por evaporacin ( calor latente ) y el 25% por transferencia de calor sensible.

Una torre de enfriamiento, es un dispositivo semicerrado para enfriamiento evaporativo del agua por contacto con aire. Tanto la T.B.S. ( Temperatura de bulbo seco) como la T.B.H. ( Temperatura de bulbo hmedo ) son muy importante para evaluar la performancia de una torre y entender como trabaja.



La T.B.S. es la temperatura del aire leda en un termmetro ordinario. La T.B.H. se obtiene cubriendo el bulbo de un termmetro con seda humedecida y poniendo el instrumento en una corriente de aire. Una parte del agua de la envoltura de seda se evapora y toma calor del agua restante y disminuyendo su temperatura. La magnitud de esta cada de temperatura depende de la sequedad del aire tanto como su temperatura inicial. Cuando se alcanza el equilibrio el termmetro indicar la T.B.H.

2.2 LA HUMEDAD RELATIVA.

La humedad relativa del aire puede tomarse de una carta psicrometica cuando se conocen la T.B.S. y la T.B.H. Cuando la humedad del aire es 100% la T.B.H. es igual a la T.B.S. para cualquiera para cualquier humedad menor, alguna agua se evapora para enfriar el bulbo dando una menor T.B.H., mientras mas seco sea el aire mayor ser la diferencia entre estas lecturas de T.B.S. y T.B.H.

El calor es absorbido moviendo aire en una torre de enfriamiento atmosfrico; en tanto la T.B.H. del aire es menor que la temperatura del agua, por lo que hay que recordar: NINGUNA TORRE DE ENFRIAMIENTO ATMOSFRICA PUEDE ENFRIAR AGUA DEBAJO DE LA T.B.H. DEL AIRE DE ENTRADA. En la prctica, por supuesto la temperatura final del agua est siempre arriba de la T.B.H. del aire.

2.3 CALCULO DE LA HUMEDAD DEL AIRE.

Para calcular la humedad del aire en por ciento de la saturacin del aire ( Humedad Relativa ) se emplea una Carta de Humedad como la que se muestra al final de este



trabajo, que ha sido preparada para la presin atmosfrica al nivel del mar. El empleo de la Carta de Humedad requiere de datos:

1.- Temperatura de Bulbo Hmedo (TBH).- Se emplea un termmetro que tenga el bulbo rodeado por una mecha mojada.

2.- Temperatura de Bulbo Seco ( TBS).- Es la temperatura del aire, o sea que es la lectura que da el termmetro en el aire.

Conocidos estos datos se localiza la T.B.H. en la carta de humedad y sube por esta temperatura hasta la curva de saturacin, al llegar a este punto se desciende por la lnea de Humidificacin Adiabtica correspondiente hasta cruzar la T.B.S; en este punto se lee la humedad relativa; ( btu / lb de agua).

Por ejemplo la temperatura de bulbo hmedo del aire es 100 F y la del bulbo seco es 130 F, la humedad relativa se calcula de la siguiente forma: Localizamos el punto de cruce de de TBH (100 F) y la curva de saturacin (100%), ese ser el punto (1).

Del punto (1) seguimos la curva de Humidificacin Adiabtica hasta cruzar la temperatura T.B.S. (130 F) y es el punto (2); ah se lee la curva de Humedad Relativa, en este caso entre 30% y 40% aproximadamente 36%. Esto quiere decir que en la condiciones del problema, el aire tiene el 36% de la cantidad mxima de humedad que pueda tener a 130 F.



2.4 LA RAPIDEZ DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR.

En una toma evaporativa, la rapidez de la transferencia de calor depende de:

1).- El aire libre de la superficie del agua en contacto con el aire. 2).- La velocidad relativa del aire con respecto al agua durante el contacto. 3).- Que tiempo el aire esta en contacto con el agua. 4).- La diferencia entre la TBH del aire y la temperatura de entrada del agua.

A medida que el aire se mueva a travs de la torre levanta calor y su TBH se eleva. Pero no es prctico conservar el aire en contacto con el agua tanto tiempo como para que

la temperatura del agua realmente alcance la TBH del aire en movimiento. Lo primordialmente es disear equipo que enfri el agua al nivel de temperatura deseado conservando los costos inicial y de operacin dentro de la estructura econmica del proyecto total.

2.5 TIPOS BASICOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO.

Los tipos bsicos de enfriamiento por evaporacin varan desde estanques de espreas con tiro natural hasta torres de tiro inducido con flujo cruzado.

El estanque de enfriamiento es uno de los mtodos ms simples para el enfriamiento del agua aunque es el menos eficiente. El flujo de agua es distribuido para exponer rea superficial ptima al flujo de aire.



El agua caliente de entrada es introducida en un extremo del estanque y el agua fresca es sacada al otro. El agua es enfriada a medida que el aire hace contacto con la relativamente grande rea superficial del estanque.

El calor disipado de un estanque inmvil, promedia solamente 3.5 btu/hr-ft2-F de diferencia de temperatura entre la superficie del agua y el aire. As un tanque quieto deber tener ~ 20 veces el rea de un estanque con espreas y de 500 a 1000 veces el rea de una torre de enfriamiento.

Debido a esto y otros factores inherentes, los estanques con espreas han remplazado a los estanques estticos desde hace muchos aos. Hasta que las torres de enfriamiento entraron en el juego ms o menos alrededor del ao de 1920, miles de estanques con espreas fueron puestos en apelacin en la industria.

Los estanques con espreas manejan tanto como 120,000 gpm de agua. Debido a las bajas cargas, los costos por bombeo son menores que para las torres de enfriamiento. Adecuadamente diseados, los estanques de espreas expuestos por el costado a vientos prevalecientes de 3 a 5 mph de velocidad, producen eficiencias de enfriamiento hasta de 60%. Una cerca de persianas ayuda a mantener baja la prdida de agua.

ESTANQUE CON ESPREAS.



El estanque con espreas es una simple forma de enfriar agua si se dispone de suficiente terreno para su sobre capacidad. El sistema de distribucin de entrada de agua caliente sobresale unos 6 a 8 del estanque y el agua es esparcida hacia arriba. El agua se enfra a medida que se mezcla con el aire en la forma pulverizada y alguna de ella se evapora.

La performancia est limitada por el tiempo de contacto relativamente corto entre el aire y el agua pulverizada. La prdida de agua es algo alta y las impurezas y el polvo entran fcilmente en la parte expuesta del circuito del agua.

Las torres de enfriamiento atmosfricas con espreas de pulverizacin ( ATMOSFERIC SPRAY FILLED COOLING TOWERS ) de tiro natural abierto son el diseo ms simple. Realmente la palabra TORRE est mal empleada puesto que esta es mas semejante a un estanque de espreas angosto con toberas superiores y una alta cerca de persianas.

La torre atmosfrica llena de agua pulverizada tiene toberas que pulverizan el agua hacia abajo. El flujo de aire cruzado el agua pulverizada que cae, depende de las condiciones del viento. Un pulverizado mejora la eficiencia porque lleva ms partculas de agua en contacto con el aire.

TORRE ATMOSFERICAS CON ESPREAS DE PULVERIZACIN.



El espreado confinado limita la prdida de agua. Las alturas de estas torres varan desde 6 a 15 con el espreado de agua dirigido hacia abajo, puesto que las persianas estn siempre hmedas, ellas incrementan la superficie de agua expuesta al aire.

El aire entra a travs de los lados de las persianas, lo cual ayuda al agua a no salirse y fluye a travs de la unidad de una direccin transversal. La circulacin del aire depende de la velocidad del viento. Estas torres enfran hasta 1.5 gpm de agua / pie cuadrado de rea horizontal activa con viento soplando a 5 mph. Las torres llenas de agua pulverizada ( SPRAY FILLED TOWERS ) son usadas donde:

1).- Unos cuantos grados de elevacin en la temperatura del agua fresca, causados por velocidades de viento bajas a cero, no afectar al sistema servido por el agua de enfriamiento.

2).- La torre puede ser instalada en el exterior en donde los vientos prevalecientes no estn bloqueados por obstrucciones.

Debido a su inherente operacin libre de dificultades, este diseo es bien seleccionado para instalaciones pequeas de refrigeracin y enfriamiento de agua de chaquetas de mquinas trmicas. Pero tiene sus desventajas, por ejemplo:

1).- El rango de enfriamiento est definitivamente limitado ( nunca se debe aproximar a la TBH ), excepto cuando la temperatura del agua est sobre los 130F.

2).- Se hace necesario ms bombeo a presin para atomizacin en una tobera que por gravedad desde una canaleta de madera, como es la distribucin en una torre empacada.

3).- Las prdidas de viento son altas y las toberas frecuentemente tienden a taparse.



CAPTULO III DISEO DE TORRES

DE ENFRIAMIENTO DE

ACUERDO AL FLUJO

DE AIRE



DISEO DE TORRES DE ENFRIAMIENTO DE ACUERDO AL FLUJO DE AIRE.

Los diseos de torres de enfriamiento pueden ser clasificados de acuerdo al flujo de aire que manejen, estas caen dentro de dos categoras:

- De tiro Natural.

- De tiro Mecnico.

De tiro Natural - Torres atmosfricas

- Torres Hiperblicas Torres de ( de chimenea ) Enfriamiento

De tiro Mecnico - Torres de tiro forzado

- Torres de tiro Inducido - A contra flujo - A flujo cruzado

Es la categora de tiro natural, se incluye las torres atmosfricas, en las cuales el flujo del aire depende de las condiciones locales del viento, y las hiperblicas de chimenea. Los diseos de tiros mecnicos usan uno o ms ventiladores para mover el aire a travs de la unidad.



3. 1 TORRES ATMOSFERICAS CON TIRO NATURAL EMPACADAS O CON RELLENO DE MADERA.

Se construyen ya raramente. Este diseo usa un relleno para incrementar la rotura del agua y exponer superficie adicional de agua al flujo de aire. El agua cae desde unas canaletas perforadas superiores o de un sistema de espreas y fluye sobre el empaque.

TORRE ATMOSFERICA EMPACADA

El aire pasa a travs de las persianas abiertas y atraviesa la torre. La torre atmosfrica empacada pulveriza agua hacia abajo sobre un relleno o empaque, la cual incrementa la eficiencia de enfriamiento por posterior rotura del flujo del agua y exposicin de ms superficie humedecida. Las persianas abiertas conducen hacia fuera el aire que pasa a travs de la torre, estn a todo lo largo de la altura. Algunas de estas torres son muy altas y tan largas como para tener varios de cientos de pies. Pueden ser colocadas en grandes reas abiertas con los costados de la torre expuestos al viento prevaleciente.

Puesto que el aire sopla normalmente en una direccin horizontal en tanto que debido



a la gravedad, el agua cae verticalmente, el flujo de aire es cruzado al flujo de agua. Los costos de mantenimiento son bajos porque no hay partes mecnicas. La recirculacin del aire usado no es problema. Las desventajas incluyen la gran longitud necesaria para compensar la estructura angosta.

Tanto el costo original como el de bombeo son altos por la carga que hay que vencer, igual a las ms pequeas torres de tiro mecnico. Las torres con gran longitud y altura y un ancho angosto significa que deben estar bien ancladas para soportar las cargas del viento.

VENTAJAS

1.- No contienen partes mecnicas 2.- Mnimo costo de mantenimiento 3.- No hay problemas de recirculacin de aire hmedo descargado a la atmsfera 4.- La temperatura promedio de agua fra ser ms pequea que para una torre de tiro mecnico diseada para las mismas condiciones de servicio, ya que la velocidad de diseo del viento esta generalmente por de bajo de la promedio.

DESVENTAJAS

1.- Se requiere una inversin en dinero inicial grande 2.- Deber ser localizada en reas abiertas 3.- La temperatura del agua fra flucta con los cambios de direccin y velocidad del viento.

4.- Las torres atmosfricas debern estar ancladas por seguridad, para prevencin contra fuertes vientos.



5.- Deber ser localizada de costado al viento dominante.

3.2 TORRES HIPERBOLICAS.

Las torres hiperblicas de tipo de chimenea, de tiro natural, crean su propio tiro, asegurando operacin eficiente an cuando no haya viento. En tanto el costo inicial puede ser bastante alto, su balance contra ahorros en ventiladores y sus motores y transmisiones, vida ms larga y menor mantenimiento la hace muy atractiva. La localizacin geogrfica es lgicamente un factor puesto que la eficiencia es baja cuando la atmsfera es caliente y seca.

VISTA DE TORRES HIPERBOLICAS.

La torre hiperblica es una descomunal chimenea ( un diseo de tiro natural ). El aire exterior ms pesado entra alrededor de la base de la torre y desplaza al aire saturado ms ligero en la torre, forzando hacia arriba a salir por la parte alta. El agua de enfriamiento distribuida sobre el empaque fluye a contra corriente con respecto al aire inducido.



Estas torres son ampliamente usadas en Europa en donde su presencia es una indudable parte del paisaje Industrial. Las estructuras de concreto reforzado con acero estructural de los diseos hiperblicos de tiro natural son casi chimeneas de tamao familiar, con un gran espacio vaco.

Ms o menos unos 30 ft. arriba del fondo es el nivel hasta donde el aire entra en la zona del empaque en la cual penetrando el agua caliente. La forma de la chimenea es circular en cualquiera de sus planos e hiperblicas en perfil. Desde un punto estrictamente termodinmico, la torre no tiene porque ser hiperblica. Podra cilndrica pero el momentum del aire entrante forma una vena contracta cuyas dimensiones varan con la relacin:

Dimetro de la torre Altura de la entrada de aire en la base

Los diseadores reducen la envoltura para seguir el dimetro de la vena contracta, la cual ahorra materiales y costos. Adems la forma hiperblica rigidza la estructura de concreto contra las fuerzas del viento. La sentina ( o aljibe ) de agua fra bajo la torre, forma parte de la cimentacin en algunos diseos, aunque en otros la sentina puede estar separada. Se le puede disear con un fondo cnico para colectar sedimentos del agua de enfriamiento y eliminarlos con el purgado.

3.2.1 EL EMPAQUE PARA SALPICADURA DE LAS TORRES HIPERBLICAS.

El empaque de las torres hiperblicas tienen cabrillas de madera espaciadas a intervalos frecuentes en hileras de trebolillo. El agua salpica de hilera a hilera



y estalla en gotitas que exponen una superficie mxima al flujo de aire. La pelcula de agua en el empaque, una seleccin alterna, consiste en largas hojas de asbesto cemento colgado de una serie de soportes de concretos. Espaciadoras de madera de teca, o de plstico, separan uniformemente la laminas u hojas, y una pelcula delgada de agua se desliza hacia debajo de su cara. Ambos tipos de empaques estn diseados para reducir las perdidas de tiro y promover el movimiento de un alto volumen de aire. La carga de agua va de 2 a 4 gpm/ft2.

DISTRIBUCION DEL AGUA Y EMPAQUE EN UNA TORRE HIPERBLICA

3.2.2 EL FLUJO DE AIRE EN TORRES HIPERBOLICAS.

El flujo de aire a travs de las torres hiperblicas es producido por las diferencias en la densidad del aire, aunque las temperaturas del bulbo seco y la hora juegan tambin



con el rol importante. En operacin, el aire del exterior ms pesado es aspirado hacia adentro desde alrededor de la base de la torre desplazando el aire saturado ms ligero en la torre, forzndolo hacia arriba y sacndolo hacia el exterior. En realidad trabaja en forma muy semejante a la chimenea convencional excepto que la saturacin agua ms el calor, causa el cambio en la densidad del aire que son responsables del movimiento del aire. Diferente a la torre de tiro mecnico cuyos ventiladores mueven un flujo fijo de aire independiente de su densidad, una unidad hiperblica vara su flujo de aire cambiando sus condiciones atmosfricas. Performancia ptima a una T.B.H. dada se obtiene cuando la humedad es alta si se conservan constantes:

1.- La T.B.H. ambiente 2.- La carga trmica

3.- La circulacin del agua 4.- El tamao de la torre

La mayor humedad relativa, proporciona el agua ms fra en la salida. La operacin es satisfactoria a baja humedad relativa, pero hay un lmite econmico al ms bajo nivel de aplicacin: aproximadamente 35% de humedad relativa, para condiciones de diseo. Debajo de este punto, el tamao y costo de la torre se disparan considerablemente.

Las torres hiperblicas con tiro natural trabajan mejor cuando la diferencia entre las temperaturas del agua fra y la T.B.H. del aire de entrada es igual o mayor que la diferencia entre la temperatura del agua caliente de entrada de la torre y la temperatura del agua fra de salida de la torre. Esto significa en el lenguaje de las torres de enfriamiento, cuando el APPROACH es igual o mayor que el RANGO.



CORTE DE UNA TORRE HIPERBOLICA MOSTRANDO EL EMPAQUE.

La performancia de las torres hiperblicas, varan con los cambios de estacin en T.B.S. y la hora. En invierno el flujo de aire crece para producir agua mas fra en la salida, pero ms baja T.B.H. en este tiempo corta a la fuerza de transformacin de calor compensando o equilibrando la ganancia hasta cierto punto. Las torres hiperblicas no tienen ventiladores por lo que no hay costos de operacin o de mantenimiento por este concepto. Mucho menos espacio es necesario que para unidades comparables en capacidad con tiro mecnico. En donde el terreno es escaso o costoso, esto llega a ser un factor importante, particularmente cuando deben de ser manejados grandes flujos de agua de enfriamiento. Tambin se evita la Nublazn a ras de tierra, y la recirculacin de aire caliente, que son frecuentemente un problema con instalacin de tiro mecnico. La principal limitacin de las torres hiperblicas es su alto costo inicial.

VENTAJAS.

1.- Producen efectos de enfriamiento similares a aquellos que proveen las de tiro mecnico.



2.- Son difciles destruir. 3.- Independientes de la velocidad del viento. 4.- Costos de mantenimiento despreciables. 5.- Usan comparativamente pequeas reas de terreno.

DESVENTAJAS.

1.- La gran altura necesaria para producir el tiro. 2.- El control exacto de la temperatura de salida del agua es difcil lograr. 3.- La temperatura de entrada del agua caliente, debe ser mantenida ms caliente que la temperatura del bulbo seco.

3.3 TORRES DE ENFRIAMIENTO CON TIRO MECANICO.

Estas torres usan ventiladores con potencias para mover el aire en lugar de depender del tiro natural o de la velocidad del viento. En estas, se acelera el enfriamiento y se eleva la eficiencia incrementando la velocidad del aire sobre superficies mojadas y a travs de la torre. Equipo mucho ms pequeo maneja flujos bajo condiciones de operacin bien controladas. Ellos dan al diseador de la torre el control sobre suministro de aire. Cantidades correctas de aire a la velocidad requerida pueden ser seleccionadas fcilmente para concordar con los requerimientos de enfriamiento de una instalacin en particular.

Las torres de tiro mecnico requieren menos espacio y menos tubera que las de tipo atmosfrico. Ms bajas temperaturas del agua suministrada por este diseo usualmente ayuda a la economa total de la planta lo suficiente para cubrir los gastos de operacin adicionales y los ms altos costos iniciales de la instalacin.



VENTAJAS.

1.- rea reducida de instalacin. 2.- No est restringida la localizacin de la torre. 3.- Costo menor que las torres de tiro natural.

DESVENTAJAS

1.- Utilizacin de mucha potencia para operar los ventiladores. 2.- Debe estar sujeta a un mantenimiento continuo. 3.- Est sujeta a la recirculacin de vapores de aire hmedo caliente disipado a las tomas de aire. 4.- Costos altos de mantenimiento. 5.- El funcionamiento variar con la intensidad del viento.

Las torres con tiro mecnico se subdividen en:

- Torres de Tiro Forzado.

- Torres de Tiro Inducido

3.3.1 LA TORRE DE TIRO FORZADO.

Los diseos de tiro forzado tienen ventiladores para empujar el aire a lo largo de la torre. La torre de tiro forzado manda aire horizontalmente a travs del empaque y hacia arriba contra las gotas de agua que caen. El agua que entra es removida por eliminadores de corriente en la parte superior. En las torres de enfriamiento el flujo del aire evapora algo de agua elevndose el calor hacia fuera.



TORRE DE TIRO FORZADO

La torre de tiro forzado tiene sus sopladores en la entrada del aire. La vibracin y el ruido son mnimos puesto que el equipo mecnico esta montado cerca de la base sobre una slida cimentacin. Puesto que el ventilador maneja en trminos generales aire seco, los problemas de erosin de los alabes del ventilador y la condensacin de la humedad en la transmisin de la velocidad prcticamente no existen.

Estos diseos son ligeramente ms eficientes que los tipos de tiro inducido, debido a que algo de la presin de la velocidad del are es convertida en presin esttica en la torre y recuperada en la forma de trabajo til. La principal desventaja son los vapores de salida hmedos y calientes que salen por la parte superior de la torre, los cuales tienden a recircular regresando a la regin de baja presin del aire de entrada. Si los vientos son desfavorables, la recirculacin puede reducir la eficiencia hasta en un 20%. Durante el invierno, esta condicin frecuentemente forma hielo bajo el equipo cercano, en las



Construcciones y en la carcaza del soplador mismo, Congelacin en la salida del soplador de torres de tiro forzado da origen a la rotura de los alabes del soplador. El diseo de la torre limita el tamao del soplador a 72 o menos.

Las unidades de gran capacidad requieren por lo tanto un sistema mltiple de ventiladores alineados, con sus transmisiones, sus motores y sus arrancadores en paralelo.

DISEÑO Y FUNCIONMIENTO DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO ENPLANTAs DE PROC

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